KR20190096701A - 연료전지용 단위 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지용 단위 셀에 관한 것으로서, 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체의 일면에 배치되는 기체 확산층; 상기 기체 확산층으로부터 이격되도록 배치되는 분리판; 및 상기 기체 확산층과 상기 분리판을 탄성적으로 지지함과 동시에 전기적으로 연결하도록 상기 기체 확산층과 상기 분리판 사이에 개재되며, 반응 기체를 이송하기 위한 반응 기체 유로를 제공하는 적어도 하나의 코일 스프링들을 포함한다.

Description

연료전지용 단위 셀{UNIT CELL FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 단위 셀에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료전지 차량의 메인 파워(Main Power) 공급원으로서, 수소와 산소의 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성하는 장치이다.
일반적으로, 연료전지 스택은, 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)와, 막-전극 접합체의 양면에 각각 배치된 분리판들 등을 포함하는 다수의 단위 셀들이 적층되어 구성된다.
막-전극 접합체는, 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막의 일면에 배치되는 애노드 전극과, 고분자 전해질막의 타면에 배치되는 캐소드 전극 등을 구비한다. 분리판은, 수소를 애노드 전극에 공급하기 위한 수소 채널과, 공기를 캐소드 전극에 공급하기 위한 공기 채널과, 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널 등을 구비한다.
애노드 전극에는 수소 저장 탱크로부터 공급된 고순도의 수소가 분리판의 수소 채널을 통해 유입되고, 캐소드 전극에는 공기 압축기 기타 공기 공급 장치에 의해 공급된 대기 중의 공기가 분리판의 공기 채널을 통해 유입된다. 그러면, 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응이 진행되어 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)가 생성되고, 이처럼 생성된 수소 이온과 전자는 각각 고분자 전해질막과 분리판을 통해 캐소드 전극으로 이동된다. 또한, 캐소드 전극에서는 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온 및 전자와, 공기 공급 장치에 의해 공급된 공기 중의 산소가 참여하는 환원 반응이 진행되어 물이 생성됨과 동시에 전자의 흐름에 의한 전기 에너지가 생성된다.
한편, 최근에는 분리판에 공기 채널을 형성하는 대신 분리판과 기체 확산층 사이에 성형 다공체 또는 발포성 다공체를 개재시켜 성형 다공체 또는 발포성 다공체를 통해 공기를 이송하도록 마련된 단위 셀이 개발되어 사용되고 있다. 이처럼 성형 다공체 또는 발포성 다공체를 이용해 공기를 이송하기 위한 공기 유로를 구성할 경우에는, 단위 셀의 설계 목적에 맞춰 성형 다공체 또는 발포성 다공체의 기공도가 조절되어야 한다. 그런데, 발포성 다공체는, 랜덤한 기하학적 형상을 지니므로, 단위 셀의 설계 목적에 맞게 기공도를 정밀하게 조절하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 성형 다공체의 제작에는, 제작 공법 상 금형이 요구된다. 따라서, 성형 다공체는, 금형의 설치에 많은 비용이 소요된다는 문제점과, 성형 다공체를 설계 목적에 맞게 최적화하는 과정에서 형상의 변경이 필요한 경우에 금형의 구조 변경을 위해 추가적인 비용이 소요된다는 문제점 등이 있다.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 반응 기체 유로의 기공도를 설계 목적에 맞게 정밀하게 조절할 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 단위 셀을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 반응 기체 유로의 기공도를 반응 기체 유로의 구간 별로 상이하게 조절할 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 단위 셀을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 단위 셀 내 구성 요소들 간의 접촉 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 단위 셀을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀은, 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체의 일면에 배치되는 기체 확산층; 상기 기체 확산층으로부터 이격되도록 배치되는 분리판; 및 상기 기체 확산층과 상기 분리판을 탄성적으로 지지함과 동시에 전기적으로 연결하도록 상기 기체 확산층과 상기 분리판 사이에 개재되며, 반응 기체를 이송하기 위한 반응 기체 유로를 제공하는 적어도 하나의 코일 스프링들을 포함한다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 각각, 축 방향이 상기 막-전극 접합체의 두께 방향과 수직을 이루도록 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 각각, 상기 분리판에 고정된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 각각, 상기 분리판에 용접된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 각각, 상기 분리판에 접착재에 의해 접착된다.
바람직하게, 상기 분리판은, 상기 코일 스프링들 중 어느 하나가 걸림되는 적어도 하나의 걸림 돌기들을 구비한다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 각각, 상기 반응 기체 유로의 구간에 따라 스프링 피치가 상이하도록 상기 걸림 돌기들에 걸림된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은, 상기 반응 기체 유로의 구간에 따라 상기 반응 기체 유로의 기공률이 상이하도록, 상기 코일 스프링들의 피치, 상기 코일 스프링들의 직경, 상기 코일 스프링들의 중첩률, 스프링 와이어의 직경 중 적어도 하나가 서로 상이하다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 반응 기체 유로의 기공도가 높아지게 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 스프링 피치가 길어지게 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들 중 스프링 피치가 긴 코일 스프링이 위치하게 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들의 중첩률이 낮아지게 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들의 배치 간격이 길어지게 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들 중 스프링 와이어 직경이 작은 코일 스프링이 위치하게 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들 중 직경이 작은 코일 스프링이 위치하게 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들은 각각, 축 방향이 상기 반응 기체의 유동 방향과 미리 정해진 각도를 이루도록 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들 중 적어도 일부는, 축 방향이 상기 반응 기체의 유동 방향과 평행을 이루도록 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들 중 적어도 일부는, 축 방향이 상기 반응 기체의 유동 방향과 수직을 이루도록 배치된다.
바람직하게, 상기 코일 스프링들 중 적어도 일부는, 전류 밀도가 높은 영역으로 갈수록 상기 반응 기체 유로의 기공도가 낮아지게 배치된다.
본 발명은, 연료전지용 단위 셀에 관한 것으로서, 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은, 반응 기체를 이송하는 반응 기체 유로의 기공도를 코일 스프링을 이용해 조절함으로써, 반응 기체 유로의 기공도를 단위 셀의 설계 목적에 맞춰 정밀하게 조절할 수 있고, 기체 확산층과 분리판 사이의 전기 저항을 전류 밀도에 맞춰 정밀하게 조절할 수 있다.
둘째, 본 발명은, 기체 확산층의 영구 수축 변형을 코일 스프링의 탄성 복원을 통해 보상하여, 단위 셀 내 구성 요소들 간의 접촉 상태를 안정적으로 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀의 적층 구조를 설명하기 위한 사시도.
도 2는 막-전극 접합체의 적층 구조를 설명하기 위한 단면도.
도 3은 코일 스프링의 개략적인 형상을 설명하기 위한 도면.
도 4는 코일 스프링들이 복수의 열을 이루도록 배치된 상태를 나타내는 도면.
도 5a는 도 4에 도시된 코일 스프링들이 반응 기체의 유동 방향과 평행을 이루도록 배치된 상태를 나타내는 도면.
도 5b는 도 4에 도시된 코일 스프링들이 반응 기체의 유동 방향과 수직을 이루도록 배치되는 상태를 나타내는 도면.
도 6은 코일 스프링이 지그재그형으로 폴딩되어 배치된 상태를 나타내는 도면.
도 7은 코일 스프링이 나선형으로 폴딩되어 배치된 상태를 나타내는 도면.
도 8은 코일 스프링이 제1 분리판에 용접된 상태를 나타내는 도면.
도 9a 내지 도 9c는 코일 스프링이 제1 분리판의 걸림 돌기에 걸림된 상태를 나타내는 도면.
도 10a 내지 도 10c는 코일 스프링들이 서로 중첩되도록 배치되는 상태를 나타내는 도면.
도 11 내지 도 14는 코일 스프링들을 이용해 반응 기체 유로의 기공률을 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀의 적층 구조를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 막-전극 접합체의 적층 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀(1)(이하, '단위 셀(1)'이라고 함)은, 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체(10)의 일면에 배치되는 제1 기체 확산층(20)과, 막-전극 접합체(10)의 타면에 배치되는 제2 기체 확산층(30)과, 제1 기체 확산층(20)의 일면으로부터 이격되도록 배치되는 제1 분리판(40)과, 미리 정해진 방향을 따라 교번적으로 형성되는 랜드부들(52)과 채널부들(54)을 구비하며 제2 기체 확산층(30)의 일면에 배치되는 제2 분리판(50)과, 제1 기체 확산층(20)과 제1 분리판(40) 사이에 개재되는 적어도 하나의 코일 스프링들(60) 등을 포함할 수 있다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 막-전극 접합체(10)는, 전해질막(12), 전해질막(12)의 일면에 배치되는 캐소드 전극(14)과, 전해질막(12)의 타면에 배치되는 애노드 전극(16) 등을 구비할 수 있다. 이러한 막-전극 접합체(10)는 통상적인 단위 셀(1)의 막-전극 접합체(10)와 동일한 구조를 가지므로, 막-전극 접합체(10)에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 기체 확산층(20)은 캐소드 전극(14)에 비해 단위 셀(1)의 외곽 쪽에 위치하도록 캐소드 전극(14)의 일면에 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이에 대응하여, 제2 기체 확산층(30)은 애노드 전극(16)에 비해 단위 셀(1)의 외곽 쪽에 위치하도록 애노드 전극(16)의 일면에 배치된다. 이러한 기체 확산층들(20, 30)은 통상적인 단위 셀의 기체 확산층과 동일한 구조를 가지므로, 제1 기체 확산층(20)과 제2 기체 확산층(30)에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 분리판(40)은, 제1 기체 확산층(20)에 비해 단위 셀(1)의 외곽에 위치하도록, 제1 기체 확산층(20)의 일면으로부터 미리 정해진 간격만큼 이격되게 배치된다. 제1 분리판(40)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 분리판(40)은 평판 형상을 가질 수 있다.
다음으로, 제2 분리판(50)은, 제2 기체 확산층(30)에 비해 단위 셀(1)의 외곽에 위치하도록, 제2 기체 확산층(30)의 일면에 배치된다. 이러한 제2 분리판(50)은, 미리 정해진 방향을 따라 교번적으로 형성된 랜드부들(52)과 채널부들(54)을 구비할 수 있다. 랜드부들(52)과 채널부들(54)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 랜드부들(52)은 골 형상을 가질 수 있고, 채널부들(54)은 산 형상을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 제2 분리판(50)은 랜드부들(52)이 제2 기체 확산층(30)의 일면에 안착됨과 동시에 채널부들(54)이 제2 기체 확산층(30)의 일면으로부터 이격되도록 제2 기체 확산층(30)의 일면에 배치될 수 있다. 그러면, 각각의 채널부(54) 및 제2 기체 확산층(30) 사이에는 반응 기체와 생성수 등을 이송하기 위한 분리판 채널 유로(70)가 형성될 수 있고, 어느 단위 셀(1)의 각각의 랜드부(52)와 상기 어느 단위 셀(1)과 접하는 다른 단위 셀(1)의 제1 분리판(40) 사이에는 냉각수(C) 등을 이송하기 위한 냉각수 유로(80)가 형성될 수 있다.
분리판 채널 유로(70)를 통해 이송 가능한 반응 기체의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 분리판 채널 유로(70)는 수소를 이송 가능하도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 분리판 채널 유로(70)의 입구(미도시)는 수소 공급 라인(미도시)에 연결될 수 있다. 수소 공급 라인은, 수소 공급원(미도시)으로부터 공급된 수소를 분리판 채널 유로(70)의 입구를 향해 이송 가능하도록 마련된다. 그러면, 분리판 채널 유로(70)의 입구를 통해 공급된 수소는, 제2 기체 확산층(30)을 통해 애노드 전극(16)에 전달된 후, 수소 이온과 전자로 분리될 수 있다. 또한, 분리판 채널 유로(70)의 출구는, 수소 재순환 라인(미도시)에 연결될 수 있다. 수소 재순환 라인은, 분리판 채널 유로(70)의 출구로부터 배출된 수소를 수소 공급 라인에 재전달 가능하도록 마련된다. 그러면, 애노드 전극(16)에서의 산화 반응에 참여하지 않은 잔여 수소는, 분리판 채널 유로(70)의 출구 및 수소 재순환 라인을 통해 수소 공급 라인에 재전달될 수 있다.
도 3은 코일 스프링의 개략적인 형상을 설명하기 위한 도면이다.
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 코일 스프링(60)은, 미리 정해진 직경(D1)을 갖는 스프링 와이어(62)가 나선형으로 권취되어 형성된다. 이러한 코일 스프링(60)은 단위 셀(1)의 설계 목적에 따라 미리 정해진 피치(P)와 직경(D2)을 갖도록 형성될 수 있다.
코일 스프링(60)은, 제1 기체 확산층(20)의 일면과 제1 분리판(40)을 탄성 지지함과 동시에 전기적으로 연결할 수 있도록, 제1 기체 확산층(20)의 일면과 제1 분리판(40) 사이에 개재된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 코일 스프링(60)은 코일 스프링(60)의 축 방향이 막-전극 접합체(10)의 두께 방향과 수직을 이루도록 제1 기체 확산층(20)의 일면과 제1 분리판(40) 사이에 개재될 수 있다. 이러한 코일 스프링(60)은, 제1 기체 확산층(20)과 제1 분리판(40) 사이의 간격을 미리 정해진 거리만큼 유지시켜, 제1 기체 확산층(20)과 제1 분리판(40) 사이의 공간에 반응 기체와 생성수 등을 이송하기 위한 반응 기체 유로(90)를 구성할 수 있다.
반응 기체 유로(90)를 통해 이송 가능한 반응 기체의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 반응 기체 유로(90)는 공기를 이송 가능하도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 반응 기체 유로(90)의 입구(미도시)는 공기 공급 라인(미도시)에 연결될 수 있다. 공기 공급 라인에는, 외부의 공기를 반응 기체 유로(90)의 입구를 향해 펌핑 가능한 공기 압축기(미도시) 등이 설치될 수 있다. 그러면, 반응 기체 유로(90)의 입구를 통해 공급된 공기 중의 산소는, 제1 기체 확산층(20)을 통해 캐소드 전극(14)에 전달된 후, 제1 분리판(40)을 통해 전달된 전자와 전해질막(12)을 통해 전달된 수소 이온과 결합될 수 있다. 이러한 수소 이온, 전자 및 산소가 참여하는 환원 반응에 의하면, 전기 에너지 및 생성수가 생성될 수 있다. 또한, 반응 기체 유로(90)의 출구는, 공기 배출 라인(미도시)에 연결될 수 있다. 그러면, 캐소드 전극(14)에서의 환원 반응에 참여하지 않은 잔여 공기와 생성수 등은, 반응 기체 유로(90)의 출구 및 공기 배출 라인을 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 4는 코일 스프링들이 복수의 열을 이루도록 배치된 상태를 나타내는 도면이고, 도 5a는 도 4에 도시된 코일 스프링들이 반응 기체의 유동 방향과 평행을 이루도록 배치된 상태를 나타내는 도면이며, 도 5b는 도 4에 도시된 코일 스프링들이 반응 기체의 유동 방향과 수직을 이루도록 배치되는 상태를 나타내는 도면이다.
또한, 도 6은 코일 스프링이 지그재그형으로 폴딩되어 배치된 상태를 나타내는 도면이고, 도 7은 코일 스프링이 나선형으로 폴딩되어 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
코일 스프링(60)의 배치 방법은 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 코일 스프링들(60)이 복수의 열을 이루도록 배치될 수 있다. 이 경우에, 코일 스프링들(60)은 축 방향이 반응 기체 유로(90)를 통과하는 공기의 유동 방향과 미리 정해진 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 코일 스프링들(60) 중 적어도 하나는, 축 방향이 공기의 유동 방향과 평행을 이루도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 코일 스프링들(60) 중 적어도 하나는, 축 방향이 공기의 유동 방향과 수직을 이루도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 코일 스프링들(60)이 지그재그형으로 폴딩되어 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 코일 스프링들(60)이 나선형으로 폴딩되어 배치될 수 있다.
도 8은 코일 스프링이 제1 분리판에 용접된 상태를 나타내는 도면이고, 도 9a 내지 도 9c는 코일 스프링이 제1 분리판의 걸림 돌기에 걸림된 상태를 나타내는 도면이다.
코일 스프링(60)은 미리 정해진 위치를 유지할 수 있도록 제1 분리판(40)에 고정되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 코일 스프링(60)은 미리 정해진 용접점들(W)이 제1 분리판(40)의 일면에 용접되어 고정될 수 있다.
예를 들어, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 제1 분리판(40)은 일면에 돌출 형성되는 적어도 하나의 걸림 돌기들(42)을 구비할 있고, 코일 스프링(60)은 이러한 걸림 돌기들(42)에 걸림되어 고정될 수 있다. 특히, 도 9c에 도시된 바와 같이, 코일 스프링(60)은 구간 별로 피치(P1, P2, P3)가 상이해지도록 걸림 돌기들(42)에 걸림되어 고정될 수도 있다.
도 10a 내지 도 10c는 코일 스프링들이 서로 중첩되도록 배치되는 상태를 나타내는 도면이다.
코일 스프링(60)의 설치 간격은 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이, 코일 스프링들(60)은 서로 인접하게 위치한 코일 스프링들(60)이 미리 정해진 중첩률만큼 중첩되도록 배치되거나 미리 정해진 간격만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 코일 스프링들(60)의 중첩이란 코일 스프링들(60)의 배치 간격이 코일 스프링들(60)의 직경(D2)에 비해 작아 코일 스프링들(60)이 서로 겹치도록 배치된 상태를 말한다.
도 11 내지 도 14는 코일 스프링들을 이용해 반응 기체 유로의 기공률을 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
반응 기체 유로(90)의 기공도는, 반응 기체 유로(90)의 전체 용적에서 코일 스프링들(60)에 의해 점유되지 않은 공간의 용적의 비율로서, 반응 기체 유로(90)의 전체 용적에서 코일 스프링들(60)이 점유하는 용적의 비율에 반비례한다. 즉, 반응 기체 유로(90)의 기공도는, 반응 기체 유로(90)의 전체 용적에서 코일 스프링들(60)이 점유하는 용적의 비율이 낮아질수록 높아진다. 따라서, 반응 기체 유로(90)의 기공도는 반응 기체 유로(90)의 전체 용적에서 코일 스프링들(60)이 점유하는 용적의 비율을 조절하여 조절할 수 있다.
이를 고려하여, 코일 스프링들(60)은, 단위 셀(1)의 설계 목적에 따라 반응 기체 유로(90)가 미리 정해진 기공도를 갖도록 마련될 수 있다. 코일 스프링들(60)을 이용해 반응 기체 유로(90)의 기공도를 조절하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 스프링 와이어의 직경(D1), 코일 스프링들(60)의 피치(P), 코일 스프링들(60)의 직경(D2), 코일 스프링들(60)의 중첩률 중 적어도 하나를 조절함으로써, 반응 기체 유로(90)의 기공도를 미리 정해진 목표 기공도로 정밀하게 조절할 수 있다.
한편, 반응 기체 유로(90)를 통과하는 공기의 유량은, 반응 기체 유로(90)의 상류(92)에서 하류(94) 쪽으로 갈수록 점진적으로 작아진다. 이로 인해, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측으로 갈수록 습기가 정상 수준에 비해 적은 드라이 아웃(dry out)이 빈번하게 발생하고, 반응 기체 유로(90)의 하류(94) 측으로 갈수록 습기가 정상 수준에 비해 많은 플러딩(flooding)이 빈번하게 발생한다. 여기서, 반응 기체 유로(90)의 상류(92)란 반응 기체 유로(90)의 입구와 인접한 영역을 말하고, 반응 기체 유로(90)의 하류(94)란 반응 기체 유로(90)의 출구와 인접한 영역을 말한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 코일 스프링들(60)은, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록 반응 기체 유로(90)의 기공도가 높아지도록 배치될 수 있다. 그러면, 반응 기체 유로(90)의 상류(92)에서는 낮은 기공도로 인해 공기의 확산성이 저하되고, 반응 기체 유로(90)의 하류(94)에서는 높은 기공도로 인해 공기의 확산성이 증가될 수 있다. 이를 통해, 코일 스프링들(60)은, 공기의 유량의 고저로 인한 드라이 아웃과 플러딩을 최소화시킬 수 있다.
이처럼 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록 반응 기체 유로(90)의 기공도가 높아지도록 코일 스프링들(60)을 배치하는 방법은 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 코일 스프링들(60) 중 적어도 일부는, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록, 코일 스프링들(60)의 중첩률이 낮아지게 배치될 수 있다. 달리 말하면, 코일 스프링들(60)은, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록, 코일 스프링들(60)의 배치 간격이 길어지도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 코일 스프링들(60) 중 적어도 일부는, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록, 코일 스프링들(60) 중 피치(P)가 긴 코일 스프링(60)이 위치하게 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 코일 스프링들(60) 중 적어도 일부는, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록, 코일 스프링들(60)의 중첩률이 낮아짐과 동시에, 코일 스프링들(60) 중 피치(P)가 긴 코일 스프링(60)이 위치하게 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 코일 스프링들(60) 중 적어도 일부는, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록, 피치(P)가 길어지게 배치될 수 있다.
예를 들어, 코일 스프링들(60) 중 적어도 일부는, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록, 코일 스프링들(60) 중 스프링 와이어의 직경(D1)이 작은 코일 스프링(60)이 위치하게 배치될 수 있다.
예를 들어, 코일 스프링들(60) 중 적어도 일부는, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록, 코일 스프링들(60) 중 직경(D2)이 작은 코일 스프링(60)이 위치하게 배치될 수 있다.
한편, 코일 스프링들(60)은, 반응 기체 유로(90)의 상류(92) 측에서 하류(94) 측으로 갈수록 반응 기체 유로(90)의 기공도가 높아지게 배치되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 코일 스프링들(60)은, 반응 기체 유로(90)의 구간에 따라 반응 기체 유로(90)의 기공률이 상이해지도록, 스프링 와이어의 직경(D1), 코일 스프링들(60)의 피치(P), 코일 스프링들(60)의 직경(D2), 코일 스프링들(60)의 중첩률 중 적어도 하나가 서로 상이하게 배치될 수 있다.
예를 들어, 코일 스프링들(60)은, 전류 밀도가 높은 영역으로 갈수록 반응 기체 유로(90)의 기공도가 낮아지게 배치될 수 있다. 달리 말하면, 코일 스프링들(60)은, 전류 밀도가 높은 영역으로 갈수록 반응 기체 유로(90)의 전체 용적에서 코일 스프링들(60)이 점유하는 용적의 비율이 높아지도록 배치되는 것이다. 그러면, 전류 밀도가 높은 영역으로 갈수록, 코일 스프링들(60)이 제1 기체 확산층(20) 및 제1 분리판(40)과 접촉되는 면적이 증가된다. 이를 통해, 코일 스프링들(60)은, 전류 밀도가 높은 영역에서 제1 기체 확산층(20)과 제1 분리판(40) 사이의 전기 저항을 낮춰줌으로써, 높은 전기 저항으로 인한 오믹(ohmic) 손실을 최소화시킬 수 있다.
위와 같이, 단위 셀(1)은, 제1 기체 확산층(20)과 제1 분리판(40) 사이에 코일 스프링(60)을 개재시킴으로써, 코일 스프링(60)을 이용해 제1 기체 확산층(20)과 제1 분리판(40) 사이에 반응 기체 유로(90)를 형성할 수 있다. 이러한 단위 셀(1)은, 반응 기체 유로(90)의 전체 용적에서 코일 스프링(60)이 점유하는 용적의 비율을 조절함으로써, 반응 기체 유로(90)의 기공도를 단위 셀(1)의 설계 목적에 맞춰 정밀하게 조절할 수 있고, 제1 기체 확산층(20)과 제1 분리판(40) 사이의 전기 저항을 전류 밀도에 맞춰 정밀하게 조절할 수 있다. 또한, 단위 셀(1)은, 제조 시로부터 장시간이 경과됨에 따라 기체 확산층들(20, 30)이 영구 수축 변형되는 경우에, 제1 기체 확산층(20)과 제1 분리판(40) 사이에서 단위 셀(1)에 작용하는 체결력에 의해 탄성 수축된 상태로 배치되었던 코일 스프링(60)이 탄성 복원될 수 있다. 따라서, 단위 셀(1)은, 제조 시로부터 장기간이 경과되더라도 코일 스프링(60)의 탄성 복원에 의해 기체 확산층들(20, 30)의 영구 축소 변형이 보상됨으로써, 단위 셀(1) 내 구성 요소들 간의 접촉 상태가 안정적으로 유지될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 단위 셀
10 : 막-전극 접합체
12 : 전해질막
14 : 캐소드 전극
16 : 애노드 전극
20 : 제1 기체 확산층
30 : 제2 기체 확산층
40 : 제1 분리판
42 : 걸림 돌기
50 : 제2 분리판
52 : 랜드부
54 : 채널부
60 : 코일 스프링
62 : 스프링 와이어
70 : 분리판 채널 유로
80 : 냉각수 유로
90 : 반응 기체 유로
92 : 상류
94 : 하류

Claims (19)

  1. 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체의 일면에 배치되는 기체 확산층;
    상기 기체 확산층으로부터 이격되도록 배치되는 분리판; 및
    상기 기체 확산층과 상기 분리판을 탄성적으로 지지함과 동시에 전기적으로 연결하도록 상기 기체 확산층과 상기 분리판 사이에 개재되며, 반응 기체를 이송하기 위한 반응 기체 유로를 제공하는 적어도 하나의 코일 스프링들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 각각, 축 방향이 상기 막-전극 접합체의 두께 방향과 수직을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 각각, 상기 분리판에 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 각각, 상기 분리판에 용접된 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 각각, 상기 분리판에 접착재에 의해 접착된 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 분리판은, 상기 코일 스프링들 중 어느 하나가 걸림되는 적어도 하나의 걸림 돌기들을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 각각, 상기 반응 기체 유로의 구간에 따라 스프링 피치가 상이하도록 상기 걸림 돌기들에 걸림되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은, 상기 반응 기체 유로의 구간에 따라 상기 반응 기체 유로의 기공률이 상이하도록, 상기 코일 스프링들의 피치, 상기 코일 스프링들의 직경, 상기 코일 스프링들의 중첩률, 스프링 와이어의 직경 중 적어도 하나가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 반응 기체 유로의 기공도가 높아지게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 스프링 피치가 길어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들 중 스프링 피치가 긴 코일 스프링이 위치하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들의 중첩률이 낮아지게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들의 배치 간격이 길어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들 중 스프링 와이어 직경이 작은 코일 스프링이 위치하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 상기 반응 기체 유로의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 상기 코일 스프링들 중 직경이 작은 코일 스프링이 위치하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 각각, 축 방향이 상기 반응 기체의 유동 방향과 미리 정해진 각도를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 코일 스프링들 중 적어도 일부는, 축 방향이 상기 반응 기체의 유동 방향과 평행을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 코일 스프링들 중 적어도 일부는, 축 방향이 상기 반응 기체의 유동 방향과 수직을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링들은 전류 밀도가 높은 영역으로 갈수록 상기 반응 기체 유로의 기공도가 낮아지게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
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